Analyse énergétique, exergétique et économique (3E) des surfaces planes

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 411 (2023) Citer cet article

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L’utilisation de l’énergie solaire est l’une des stratégies les plus importantes pour relever les défis actuels de la gestion de l’énergie. L'énergie solaire est utilisée dans de nombreux secteurs résidentiels grâce à des capteurs solaires plats. L'efficacité thermique des capteurs solaires à plaques plates est améliorée lorsque les fluides caloporteurs conventionnels sont remplacés par des nanofluides, car ils offrent des propriétés thermophysiques supérieures aux fluides caloporteurs conventionnels. Les produits chimiques concentrés sont utilisés dans les techniques de synthèse conventionnelles des nanofluides, qui produisent des sous-produits toxiques dangereux. La présente recherche étudie les effets de nouveaux nanofluides de carbone multiparois et d'eau traités à l'acide gallique fonctionnalisés de manière covalente sur les performances des capteurs solaires à plaques plates. Les GAMWCNT sont très stables dans le fluide de base, selon les techniques d'analyse de stabilité, notamment la spectroscopie ultraviolette-visible et le potentiel zêta. L'évaluation expérimentale montre que les propriétés thermophysiques du nanofluide sont meilleures que celles de l'eau déionisée du fluide de base. Les analyses énergétiques, exergiques et économiques sont effectuées en utilisant des concentrations pondérales de 0,025 %, 0,065 % et 0,1 % d'eau GAMWCNT à des débits massiques variables de 0,010, 0,0144, 0,0188 kg/s. L'introduction du nanofluide GAMWCNT a amélioré les performances thermiques des capteurs solaires plats en termes d'efficacité énergétique et exergétique. Il y a une amélioration de l'efficacité avec l'augmentation du flux thermique, du débit massique et de la concentration pondérale, mais une baisse est observée à mesure que la température d'entrée augmente. Selon les résultats expérimentaux, l’amélioration la plus élevée de l’efficacité énergétique est de 30,88 % pour une concentration pondérale de 0,1 % de nanofluide GAMWCNT à 0,0188 kg/s par rapport au fluide de base. L'efficacité exergétique du collecteur augmente avec l'augmentation de la concentration pondérale tandis qu'elle diminue avec l'augmentation du débit. L’efficacité exergétique la plus élevée est obtenue à une concentration de GAMWCNT de 0,1 % et un débit massique de 0,010 kg/s. Les nanofluides GAMWCNT ont des valeurs de facteur de friction plus élevées que le fluide de base. Il y a une légère augmentation de la puissance de pompage relative avec l’augmentation de la concentration pondérale du nanofluide. Des valeurs d'indice de performance supérieures à 1 sont atteintes pour toutes les concentrations de GAMWCNT. Lorsque le capteur solaire thermique fonctionne à 0,0188 kg/s et à une concentration pondérale de 0,1 % de nanofluide GAMWCNT, la réduction de taille la plus élevée, 27,59 %, est obtenue par rapport à un capteur solaire plat avec de l'eau comme fluide caloporteur.

La population mondiale et la consommation d'énergie augmentent rapidement. L'industrialisation et la mondialisation des cultures humaines modernes sont les principales causes de cette augmentation de la consommation d'énergie. L’Agence internationale de l’énergie prévoit que d’ici fin 2040, la consommation mondiale d’énergie augmentera d’environ 30 %1. Les combustibles fossiles satisfont 86 % de la demande énergétique mondiale2. Les réserves mondiales de combustibles fossiles s'épuisent rapidement et l'environnement est gravement pollué. Le défi de l’époque actuelle est de répondre à la demande énergétique sans dégrader davantage l’environnement. L’objectif de développement durable 7 devient un défi auquel tous les pays sont confrontés et qui touche tout le monde. L’objectif fondamental de l’Objectif de développement durable 7 est de parvenir à une énergie économique, propre, efficace, fiable et accessible à tous. Les ressources énergétiques conventionnelles étant limitées, la recherche de sources d’énergie alternatives s’est intensifiée dans le monde entier. Les ressources énergétiques renouvelables ont prouvé qu’elles pouvaient répondre aux besoins d’énergie propre3.

En raison de son prix abordable et de sa disponibilité, l’énergie solaire est plus demandée que les autres ressources énergétiques renouvelables. L’énergie solaire peut être utilisée de diverses manières. La chaleur solaire peut être utilisée pour diverses applications, notamment le chauffage des locaux, l’eau chaude domestique, le refroidissement et même le chauffage industriel4,5. La collecte et la conversion de l’énergie solaire constituent un objectif clé dans ce secteur énergétique. L'énergie du soleil peut facilement être récupérée et convertie en énergie thermique ou électrique. Différents équipements et technologies, tels que les capteurs photovoltaïques et solaires thermiques, peuvent réaliser ce processus de conversion d'énergie. Les capteurs solaires utilisent un fluide caloporteur pour convertir l’énergie solaire en énergie thermique. La plaque absorbante du collecteur capte l'énergie solaire et la transfère au fluide absorbant, augmentant ainsi son énergie interne, qui peut ensuite être utilisée à diverses fins. Les capteurs solaires plats (FPSC) sans concentration optique sont utilisés dans la plage de température de 40 à 100 °C. Ils conviennent aux applications domestiques en raison de leur simplicité, de leur facilité d’entretien et de leurs coûts de fonctionnement minimes. Le FPSC a un rendement et une température de sortie relativement faibles. Les matériaux, la conception6, le revêtement de la plaque collectrice7, l'angle d'inclinaison8, les conditions climatiques9 et le fluide de travail10 sont autant de facteurs qui influencent l'efficacité des capteurs solaires à plaques plates. Remplacer l'eau pure (qui sert de fluide de travail) par un fluide à plus grande conductivité thermique est l'un des moyens les plus simples et les plus efficaces d'améliorer l'efficacité.